CN102509867A

CN102509867A - 圆极化差分馈电贴片天线

Info

Publication number: CN102509867A
Application number: CN2011103441784A
Authority: CN
Inventors: 章秀银; 代鑫; 张洪林
Original assignee: South China University of Technology SCUT
Current assignee: Guangzhou brocade Information Technology Co., Ltd.
Priority date: 2011-11-03
Filing date: 2011-11-03
Publication date: 2012-06-20
Anticipated expiration: 2031-11-03
Also published as: CN102509867B

Abstract

本发明公开了一种圆极化差分馈电天线，包括上层的辐射贴片、两个L形馈电板、下层的水平基板。其中，上层的辐射贴片包括处在下方的第一辐射贴片以及处在上方第二辐射贴片,第一辐射贴片和第二辐射贴片之间通过一个隔离泡沫隔开一定距离，第一辐射贴片比第二辐射贴片大，两个L形馈电极板直接连接到上层辐射贴片中的第一辐射贴片，每个L形馈电极板均各自通过一个探针与下层的水平基板和一个SMA连接器相连，L行馈电板采用一对差分信号来激励。本发可以扩展阻抗带宽和轴比带宽，而且在工作频带上，能看到低水平的交叉极化以及稳定的方向图和增益。该方案可以用于越来越普及的射频差分电路与***中。

Description

圆极化差分馈电贴片天线

技术领域

本发明涉及无线通信领域的天线，尤其是应用于圆极化的贴片天线。

背景技术

近年来，雷达、全球定位***、蜂窝通信等无线电通信技术发展迅猛。对无线电通信持续增长的需求使越来越多的研究者投入到无线电通信***的创新开发之中。在无线电通信***中，天线是一个核心元件。和线极化天线相比，圆极化天线具有更宽的接收和发射方位角，更好的移动性，以及更好的天气适应性等优点，所以被更广泛地应用在无线通信当中。

近年来，无线射频识别技术（Radio Frequency Identification,简称RFID）行业发展越来越快，在交通、物流、监控等多个领域都有广泛的应用。RFID***中，当阅读器天线为圆极化天线时，该天线对摆放不同角度和位置的标签都能够进行有效的读取。因为圆极化天线的辐射电场是旋转的，可以与任何方向的线极化天线进行通信，而标签一般是线极化的，因此阅读器天线能与标签进行良好的通信。在实际通信过程中，标签的位置经常摆放不规则，因此圆极化天线在RFID领域应用非常广泛。

现在的圆极化天线多为单端形式的天线。而在射频电路中，差分电路由于其优良的特性使用越来越普遍。如果采用单端天线和差分电路互连，需要在中间加巴伦进行不平衡到平衡转换，巴伦会带来额外的损耗，并且还存在幅度相位的不平衡性，影响天线的辐射性能。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提出了圆极化差分馈电贴片天线，采用差分形式进行馈电，可以直接和差分电路相连接避免了使用巴伦。

为实现本发明目的，本发明所采用的技术方案如下：

圆极化差分馈电贴片天线，包括上层的辐射贴片、两个L形馈电板、下层的水平基板，上层的辐射贴片包括第一辐射贴片和第二辐射贴片, 第二辐射贴片位于第一辐射贴片上方，第一辐射贴片和第二辐射贴片之间通过一个隔离泡沫隔开一定距离，第一辐射贴片面积比第二辐射贴片大；L形馈电极板包括垂直部分和水平部分，两个L形馈电极板的上端直接连接到上层辐射贴片中的第一辐射贴片，每个L形馈电极板的下端均各自通过一个探针与下层的水平基板和一个SMA连接器相连，L形馈电极板采用一对差分信号来激励；L形馈电板通过与第一辐射贴片相连来直接馈电，第二辐射贴片通过第一辐射贴片耦合馈电。

作为上述的圆极化差分馈电贴片天线的优化技术方案，水平基板、L形馈电板、两个辐射贴片都是采用导电金属材料。

作为上述的圆极化差分馈电贴片天线的优化技术方案，第一辐射贴片的中心与第二辐射贴片的中心处在同一直线上。

作为上述的圆极化差分馈电贴片天线的优化技术方案，第一辐射贴片与第二辐射贴片的边缘相互平行。

作为上述的圆极化差分馈电贴片天线的优化技术方案，第一辐射贴片的面积大于第二辐射贴片的面积，第一辐射贴片与第二辐射贴片的形状一样，均为正方形被直线切除一对对角后的剩余部分。

作为上述的圆极化差分馈电贴片天线的优化技术方案，第一辐射贴片在未切除对角情况下的正方形边长长度约等于该天线中心频率的半波长。

作为上述的圆极化差分馈电贴片天线的优化技术方案，两个L形馈电极板相互平行，L形馈电极板的垂直部分垂直于水平基板的一对边，水平基板的中心位于两个L形馈电极板之间，两个L形馈电极板关于水平基板的一对边的中分线对称。

作为上述的圆极化差分馈电贴片天线的优化技术方案，L形馈电极板的垂直部分垂直于第一辐射贴片的一对边。

作为上述的圆极化差分馈电贴片天线的优化技术方案，与L形馈电极板连接的所述探针位于L形馈电极板的水平部分的中心点。

与现有技术相比，本发明提供的技术方案的天线可扩展阻抗带宽，适用于越来越普及的射频差分电路。在工作频带上，能看到低水平的交叉极化、具有稳定辐射方向的轴比带宽(AR-3dB)和高稳定性的辐射方向。使用本发明提供的技术方案，可以扩展阻抗带宽和轴比带宽，而且在工作频带上，能看到低水平的交叉极化以及稳定的方向图和增益。该方案可以用于越来越普及的射频差分电路与***中。

附图说明

图1是实施例圆极化差分馈电贴片天线的结构示意图（X、Y、Z为坐标轴方向）。

图2是第一辐射贴片的中心与第二辐射贴片结构示意图；

图3是实施例圆极化差分馈电贴片天线的前视图（Z-X平面）。

图4是实施例圆极化差分馈电贴片天线的侧视图（Z-Y平面）。

图5是实施例圆极化差分馈电贴片天线的仿真和测试的驻波比曲线图。

图6是实施例圆极化差分馈电贴片天线的仿真和测试的轴比曲线图。

图7是实施例圆极化差分馈电贴片天线的仿真和测试的天线增益曲线图。

图8是在频带上2.09GHz得出的仿真的天线增益的方向图。

图9是在频带上2.27GHz得出的仿真的天线增益的方向图。

图10是在频带上2.43GHz得出的仿真的天线增益的方向图。

图11是在频带上2.09GHz得出的测试的天线增益的方向图。

图12是在频带上2.27GHz得出的测试的天线增益的方向图。

图13是在频带上2.43GHz得出的测试的天线增益的方向图。

具体实施方案

以下结合附图对本发明的实施作进一步说明，但本发明的实施不限于此。

本发明使用差分激励、用一对L形馈电极板馈电的贴片天线，这样的结构可以扩展阻抗带宽，以用于越来越普及的射频差分电路中。

首先，一个被切角的矩形贴片天线，应用了宽频带馈电方案之后，产生了合适的阻抗带宽以及轴比带宽，并且拥有稳定的辐射方向。为了更进一步的扩展轴比带宽，这里应用了另外一个被切角的贴片。在工作频带上，能看到低水平的交叉极化以及合适的增益。

同时，由于对共模噪声有较强的抑制作用，微波差分电路技术在近些年得到了极大的关注。这些引导了差分馈电贴片天线(DFPAs)的稳定发展。对于一个DFPA，这里使用一对L形馈电极板，阻抗带宽能达到70%以上. 更进一步说，该L形馈电极板对在工作带宽上实现了低水平的交叉极化，并且天线的辐射方向稳定，反应了馈电结构上的优势。

现在的圆极化天线多为单端形式的天线。而在射频电路中，差分电路由于其优良的特性使用越来越普遍。如果采用单端天线和差分电路互连，需要在中间加巴伦进行不平衡到平衡转换，巴伦会带来额外的损耗，并且还存在幅度相位的不平衡性，影响天线的辐射性能。我们在这里研究圆极化的差分馈电贴片天线就可以克服这个问题。

如图1所示，圆极化差分馈电贴片天线包括第一辐射贴片2，第二辐射贴片3，用于差分馈电的第一L形馈电极板4和第二L形馈电极板5，第一探针6、第二探针9和水平基板1；如图2所示，第一辐射贴片2和第二辐射贴片3的形状相同，均为正方形的一对对角被直线切除后剩余的部分，在第一辐射贴片2中被切除的部分为面积相等的等腰直角三角形，在第二辐射贴片3中被切除的部分也为面积相等的等腰直角三角形，第一辐射贴片2的面积大于第二辐射贴片3的面积，第一辐射贴片2和第二辐射贴片3的中心在同一垂线上，第一辐射贴片2的边缘与第二辐射贴片3的边缘相互平行；如图3、4所示，第一辐射贴片2和第二辐射贴片3之间有一隔离泡沫，用于使第一辐射贴片2和第二辐射贴片3之间隔开一定距离，第一辐射贴片2通过电磁耦合的方式向第二辐射贴片3馈电，第一L形馈电极板4和第二L形馈电极板5的上端与第一辐射贴片2直接相连，第一L形馈电极板4的垂直部分和第二L形馈电极板5的垂直部分垂直于第一辐射贴片2的一对边和水平基板1的一对边，第一L形馈电极板4的水平部分和第二L形馈电极板5的水平部分距离第一辐射贴片2的距离相等，第一L形馈电极板4的水平部分通过第二探针9与水平基板1和SMA连接器8相连，第二L形馈电极板5的水平部分通过第一探针6与水平基板1和SMA连接器7相连，第二探针9和第一探针6分别位于第一L形馈电极板4和第二L形馈电极板5的水平部分的中心位置。

实施例

第一辐射贴片2和第二辐射贴片3均由正方形两对角被平行切除后形成。该天线的中心频率设计为2.2GHz. 第一辐射贴片2中，正方形对边的距离为60mm，符合0.44倍的λo，其中λo为自由空间的波长。第二辐射贴片3中，正方形对边的距离为50mm，为无源元件。第一辐射贴片2与水平基板的垂直距离为19mm，约等于0.14λo.第一辐射贴片2和第二辐射贴片3的距离为5mm。第一辐射贴片2被第一L形馈电极板4和第二L形馈电极板5差分馈电，而第二辐射贴片3通过电磁耦合馈电。第一辐射贴片2的两个对角被切除，用以产生两个正交近似衰落的圆极化共振模，被切除等腰三角形的腰长为24mm。第二辐射贴片3的两个对角被切除，被切除等腰三角形的腰长为18mm。正方形对边距离和等腰三角形的腰长决定了两个正交近似衰落的圆极化共振模的共振频率。其中一个圆极化共振模的方向沿着正方形的对角连线，另外一个圆极化共振模沿着与前者正交的方向。两个正交近似衰落的圆极化共振模的频率差异应该尽可能高，以得到充分的轴比带宽。两个正交近似衰落的圆极化共振模必须正交，以保证圆极化的效果。第二辐射贴片3的面积比第一辐射贴片2小，所以第二辐射贴片3共振频率比第一辐射贴片2高。这样轴比带宽就会被向上拓宽。第一辐射贴片2被第一L形馈电极板4和第二L形馈电极板5馈电。第一L形馈电极板4和第二L形馈电极板5的垂直部分沿着第一辐射贴片2的非共振方向，且垂直于正方形的一对边。第一L形馈电极板4和第二L形馈电极板5的长度为41mm，垂直部分的高度为17mm，水平部分的宽度为3.2mm。第一L形馈电极板4和第二L形馈电极板5的长度以及它们垂直部分的距离决定了端口阻抗。较长极板长度会形成较小的端口阻抗的自感系数。第一L形馈电极板4和第二L形馈电极板5的水平部分和水平基板之间的距离为2mm，可以产生一个电容，从而补偿自感系数。这样，阻抗带宽就可以大大扩展了。第二探针9和第一探针6分别通过水平基板连接SMA连接器8和SMA连接器7。水平基板的边长为200mm，约为1.46λo. 第一辐射贴片2和第二辐射贴片3的中心和水平基板的中心在同一垂直线上。

在设计过程中，第一辐射贴片2和第二辐射贴片3的长度首先被确定，且是基于工作频带上。然后再选择线路。接下来，使用Zeland IE3D形成总体最优化。在仿真过程中，差分信号被传送到天线上，但是没有使用巴伦。

综合考虑阻抗带宽、轴比带宽以及辐射方向图，要增大阻抗带宽，轴比带宽是限制因素。为了增强轴比带宽，就需要设法产生较多的共振模，为此，本发明采用了寄生辐射单元，也就是第二辐射贴片。图5显示了频带上的仿真和测试驻波比。可以看到，该天线就具有52%的阻抗带宽（驻波比为2），从1.65GHz到2.80GHz。图6 显示了在2.09GHz到2.43GHz上得到的仿真14.6% 的3-dB轴比带宽，然而测试的结果是15.9%的带宽，且驻波比不大于2。

图7记录了该天线仿真和测试的增益。在2.09GHz到2.45GHz的工作频带上，仿真结果与测试结果很好地吻合。在工作频带内，该天线仿真增益大约是8.7dBi，而平均的测试增益为9dBi。差异的产生主要是由于我们使用了反向功率分配器。当我们计算天线增益时，反相功率分配器的***损耗要计算在内。分配器的***损耗是在50-Ω***中测试的。在测试中，天线的端口连接到了分配器上。既然端口阻抗并不一定是精确无误的50Ω，那么分配器的***损耗就有一定的误差。同理，分配器的振幅和相位不平衡导致了一些误差。这就造成了仿真和测试结果的不同。

图8-图13给出了该天线的在平面上（φ = 0°）和两个垂面上（φ = 90°，xz平面和yz平面）的仿真和测试的辐射方向图，分别在频带2.09GHz、2.27GHz、2.43GHz上。各个平面上的右极化辐射方向图在垂射方向上是对称的。可以看到低水平的交叉极化。仿真的后瓣辐射水平低于-17dB，而在工作频带上，测试的后瓣辐射水平则低于-20dB。该天线显示出其在3-dB轴比带宽上的稳定辐射特征。

本发明公开了一种差分馈电圆极化贴片天线，使用一对L形馈电极板，该类天线适用于越来越普遍的差分电路，而不需要使用巴伦。每一个切角的辐射贴片都可以产生一对正交模式。本发明实现了15%的3-dB的轴比带宽，天线的测试增益大约是9dBi。并且本天线在其工作频带上都具有稳定的辐射方向。这也印证了我们的设计初衷。该方案以其出色的圆极化辐射表现，在陆地通信***的差分电路中广受欢迎。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本实用型新，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化，凡在本发明的精神和原则之内，所作任何修改，等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.圆极化差分馈电贴片天线，包括上层的辐射贴片、两个L形馈电板、下层的水平基板，其特征在于，上层的辐射贴片包括第一辐射贴片和第二辐射贴片, 第二辐射贴片位于第一辐射贴片上方，第一辐射贴片和第二辐射贴片之间通过一个隔离泡沫隔开一定距离，第一辐射贴片面积比第二辐射贴片大；L形馈电极板包括垂直部分和水平部分，两个L形馈电极板的上端直接连接到上层辐射贴片中的第一辐射贴片，每个L形馈电极板的下端均各自通过一个探针与下层的水平基板和一个SMA连接器相连，L形馈电极板采用一对差分信号来激励；L形馈电板通过与第一辐射贴片相连来直接馈电，第二辐射贴片通过第一辐射贴片耦合馈电。

2.根据权利要求1所述的圆极化差分馈电贴片天线，其特征在于水平基板、L形馈电板、两个辐射贴片都是采用导电金属材料。

3.根据权利要求1所述的圆极化差分馈电贴片天线，其特征在于第一辐射贴片的中心与第二辐射贴片的中心处在同一直线上。

4.根据权利要求1所述的圆极化差分馈电贴片天线，其特征在于第一辐射贴片与第二辐射贴片的边缘相互平行。

5.根据权利要求4所述的圆极化差分馈电贴片天线，其特征在于第一辐射贴片的面积大于第二辐射贴片的面积，第一辐射贴片与第二辐射贴片的形状一样，均为正方形被直线切除一对对角后的剩余部分。

6.根据权利要求5所述的圆极化差分馈电贴片天线，其特征在于第一辐射贴片在未切除对角情况下的正方形边长长度约等于该天线中心频率的半波长。

7.根据权利要求1所述的圆极化差分馈电贴片天线，其特征在于两个L形馈电极板相互平行，L形馈电极板的垂直部分垂直于水平基板的一对边，水平基板的中心位于两个L形馈电极板之间，两个L形馈电极板关于水平基板的一对边的中分线对称。

8.根据权利要求7所述的圆极化差分馈电贴片天线，其特征在于L形馈电极板的垂直部分垂直于第一辐射贴片的一对边。

9.根据权利要求1所述的圆极化差分馈电贴片天线，其特征在于与L形馈电极板连接的所述探针位于L形馈电极板的水平部分的中心点。